降水试验研究在地下工程中的应用

降水试验研究在地下工程中的应用

马俊雨盛伟倪效铸

(中交一航局福州地铁第九标段项目总工)天津市塘沽区300450

摘要：受传统地质勘察方式的影响，地下结构土质情况和水文情况很难得到连续、准确的信息进行分析，对围护结构的设计和施工有较大的影响，此项研究以工程实例阐述降水试验在地下结构中的应用和效果，为在类似地质条件下施工提供相应的经验。

关键词：地下结构；降水试验；施工风险

1工程概述

五里亭站为地下两层岛式车站，车站总长200m，标准段宽19.7m，顶板覆土2.834m，标准段基坑深度约15.7m，主体围护结构采用800mm厚地连墙，墙体嵌固深度约14.1m，基坑底部位于<2-4-5>淤泥质中细砂。

1.1工程地质情况

淤泥质中细砂，地层代号<2-4-5>

呈深灰色，上部松散～稍密，下部稍密～中密，饱和，含中细粒石英颗粒及云母等，含淤泥质及少量有机质，级配不良。

1.2地下水水位

勘察时测得钻孔中初见水位埋深为0.80～2.80m；混合稳定水位埋深为1.20～3.50m，<2-4-5>淤泥质中细砂、<3-3>中粗砂和<3-8>卵石层之间水力联系密切，部分位置为同一含水体。

图1.2-2五里亭站左线地质剖面图

1.3周边环境

本站位于福州市晋安区，车站主体位于福马路上，与庙前街、后浦街相交，呈东西向布设。车站南侧分布的建筑物主要有省粮油进出口公司宿舍（砖7.5F）和渠城新村（砖7.5F）；北侧有孝辉旅社(砖.3F)、后浦安置房（砼6F）、金洲小区（砖8F）、肿瘤医院（砼11F）以及福建省粮食储备仓库（砼2F）等，其中孝辉旅社距离基坑10m，条石基础位于1号出入口处，主体施工期间不拆迁；靠近车站东侧端头井有一约6m宽内河。车站西侧端头距离五里亭立交桥匝道六十米，五里亭立交桥车流量较大，且车站基坑开挖影响范围内管线较多，通讯管线、电力管、雨污水管、给水管、煤气管等工程管线密集。

根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB50307-2012），结合本段工程特点和环境特点，本车站环境风险为1级。

2危险源分析与验证

根据地质勘察报告，五里亭基坑开挖深度范围内存在<2-4-5>层淤泥质中细砂，为中等透水层，厚度较大，且<2-4-5>层淤泥质中细砂下部是<3-3>层中粗砂，为强透水层，无明细的隔水层。基坑开挖时很可能出现基底突涌的风险，结合周边环境、交通导改情况，一旦出现基底突涌，就会造成围护结构失稳、周边地面大幅度沉降、此处交通瘫痪及房屋开裂等险情，直接关系到车站工程的造价、工期以及设计方案的可行性。

2.1专项水文地质试验

2.1.1降水试验方法

按设计要求，本次试验将在有帷幕条件下进行试验，考虑到普通三轴搅拌桩的施工能力，止水帷幕深度按34m考虑（设计要求），止水帷幕尺寸为15×10m（原设计为15×20m，因现场管线原因，实际施工大小为15×10m）。具体平剖面设计及施工如图2.2-1所示。

图2.1-1试验止水帷幕设计施工图(单位：m)

根据本次试验目的、场地水文地质条件以及后期降水井井结构特征，试验场区井平面布置见图2.1-2，本次试验布置如下：

1）抽水井

本次试验共布置6口抽水井、2口回灌井。

<2-4-4>层布置抽水试验井1口（Y5），位于止水帷幕外，井深为24m。

<2-4-5>层布置抽水试验井1口（Y4），位于止水帷幕内，井深为26m。

<3-3>层帷幕内布置抽水试验井2口（Y1，Y2），位于止水帷幕内，井深为34m，考虑到左右线线地质情况的差异，井位按基坑中心线对称布设。另在东端头井处布设抽水井1口（Y6），井深为36m。

<2-4-5>层与<3-3>层布置混合抽水井1口（Y3），位于止水帷幕内，井深为34m。

<2-4-5>层和<3-3>层混合布置回灌井1口（H1），位于止水帷幕外，井深为34m。

<2-4-5>层布置回灌井1口（H2），位于止水帷幕外，井深为25m。

2）水位观测孔组

本次试验涉及含水层复杂，为观察不同含水层间的水位变化和水力联系，设置7组水位观测孔，分别为GA1-GA5、GB1和GA6-1组，每组监测孔分别监测<3-3>层、<2-4-5>层以及浅部淤泥质层，观测井组GA1~GA5孔深分别为（8m、23m和34m），观测井GA6井深34m，GB组观测孔孔深分别为（8m、26m和34m）。

2.1.2降水试验结果及分析

场区二内<3-3>承压含水层的富水性、渗透性较好，其与上部<2-4-5>承压含水层水力联系较弱，与浅部淤泥层水力联系十分微弱。<2-4-5>层、<3-3>层混合井出水量大，且在有帷幕的条件下水位下降速度更快，当混合井抽汲<2-4-5>层和<3-3>层承压水时，<3-3>层承压含水层水位下降速度快于<2-4-5>层承压含水层。

2.1.3回灌试验结果及分析

试验过程中，在不加压的条件下，随着回灌时间增长，回灌量逐渐减小，最后趋于稳定（H1回灌过程）。在加压的条件下，单井回灌量迅速增大，随后迅速减小（H2回灌过程）。单井回灌过程中，回灌量较小，观测井水位均没有明显变化。H1、H2同时回灌时，<2-4-5>层水位有较为明显的抬升，观测井GA3-2、GA4-2上升幅度最大，分别达到0.68m和1.15m，水位抬深效率达到47.55%和56.37%。

图2.2-1基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图

式（2.2-1）中：

—承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力（kPa）

—初始状态下（未减压降水时）承压水的顶托力（kPa）

—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，其和等于图7.1-1中的h（m）

—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度（kN/m3）

—高于承压含水层顶面的承压水头高度，即图7.1-1中所示H（m）

—水的重度，工程上一般取10（kN/m3）

—安全系数，根据规范为1.05～1.20。

自然条件下的基坑承压水抗突涌验算

场区承压水水位标高可按3.15m考虑，因地层起伏较大，各轴段选取不同的勘探孔进行基坑抗突涌验算。

具体基坑各部位抗突涌稳定性验算结果详见表2.2-1所示：

3采取措施

根据验算结果显示基坑开挖存在较大突涌风险，面对福州地铁无类似工程经验，经过多方沟通，同时与设计院共同用降水试验数据优化方案的可行性，最终制定基坑加固措施为：嵌固深度为22m，坑底17m以下满堂加固（5米）进行水平封堵，封底加固采用Φ1100mm@850mm三重管旋喷桩。

表2.2-1基坑底抗突涌稳定性验算表<Fs=1.05>

注：若试验过程中水位未达到控制要求，延长抽水时间。

图4.3-3东仓基坑涌水量时程变化曲线（受台风影响中断1天）

4）西仓、中仓、东仓水位恢复历时5天，坑内观测井水位恢复分别为11.54m、13.85m、15.54m，截至到降水试验结束均未有大的变动，说明基坑水位恢复速率较慢，基坑整体封闭性较好。

5）降水期间对周边构筑物、地表沉降、及坑外观测井同步实施监测，监测结果无明显变化，表明基坑整体围护止水性能较好。

综上情况说明根据群井降水试验情，西仓抽水前期基坑涌水量约为746m3/d，抽水运行过程中流量衰减，群井抽水7天稳定后基坑涌水量流量为179.55m3/d。中仓抽水前期基坑涌水量约为764.16m3/d，抽水运行过程中流量衰减，群井抽水4天稳定后基坑涌水量为207.7m3/d。东仓抽水前期基坑涌水量约为255.8m3/d，抽水运行过程中流量衰减，群井抽水7天稳定后基坑涌水量为100.29m3/d。基坑后期涌水量低于设计原指标，止水帷幕性能达到了预期设计要求。

图4.3-5基坑内土体收缩情况

5结束语

根据前期风险的预测及降水实验验证分析，明确了基坑开挖存在的风险内容，采取了有效水平封底措施，排除了五里亭站基坑突涌的风险，保证了基坑的安全，从而降低了深基坑工程施工风险的级别，及对周边环境、管线、构筑物的影响，更有利于下部工序的施工进展，消除了风险发生的可能性，并加快了整体的施工进度。

五里亭水平封底的措施及抽水试验的检测效果，为后续施工提供了相应指导方向。西仓抽水历时7天，由于坑底满堂加固施工对土层扰动较大，同时淤泥质土层渗透性低，水位降低速度缓，坑内含水层补给相对较弱，下步施工时需要持续抽水加强坑外的水位和沉降观测。基坑东仓、中仓内观测井可在4天迅速降至水位埋深17m的设计要求，后期时可逐步开启降水井，避免基坑外坑内水位迅速下降引起的沉降速度过快。

参考文献

[1]陆建生，《福州轨道交通2号线工程五里亭站专项水文地质实验报告》（2015年11月）.

[2]陆建生，《福州市轨道交通2号线五里亭站基坑降水验证试验报告》（2016年9月）.

[3]林蓬勃，《五里亭站槽壁加固及降水试验止水帷幕施工方案》（2015年9月）.